Topographic Control of Groundwater Flow

• Main Author: Marklund, Lars
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: KTH, Mark- och vattenteknik 2009
• Subjects: Groundwater; Modeling; Topography; Spectral analysis; Fourier series; Exact solu-tions; Multi-scale; Grundvatten; Modellering; Topografi; Spektralanalys; Fourier serier; Analytisk lösning; Flerskalig; Hydrology; Hydrologi; Environmental engineering; Miljöteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-11153; http://nbn-resolving.de/urn:isbn:978-91-7415-377-4

Gravity is the main driving force for groundwater flow, and both landscape topography and geology distribute the effects of gravity on groundwater flow.  The groundwater table defines the distribution of the potential energy of the water. In humid regions where the bedrock permeability is relatively low and the soil depth is sufficiently shallow, the groundwater table closely follows the landscape topography and, thus, the topography controls the groundwater circulation in these regions. In this thesis, I investigate multi-scale topography-controlled groundwater flow, with the goal of systematizing the spatial distribution of groundwater flow and assessing geological parameters of importance for groundwater circulation.  Both exact solutions and numerical models are utilized for analyzing topography-controlled groundwater flow. The more complex numerical models are used to explore the importance of various simplifications of the exact solutions. The exact solutions are based on spectral representation of the topography and superpositioning of unit solutions to the groundwater flow field. This approach is an efficient way to analyze multi-scaled topography-controlled groundwater flow because the impact of individual topographic scales on the groundwater flow can be analyzed separately.  The results presented here indicate that topography is fractal and affects groundwater flow cells at wide range of spatial scales. We show that the fractal nature of the land surface produces fractal distributions of the subsurface flow patterns. This underlying similarity in hydrological processes also yields a single scale-independent distribution of subsurface water residence times which have been found in distributions of solute efflux from watersheds. Geological trends modify the topographic control of the groundwater circulation pattern and this thesis presents exact solutions explaining the impact of geological layering, depth-decaying and anisotropic hydraulic conductivity on the groundwater flow field. For instance, layers of Quaternary deposits and decaying permeability with depth both increase the importance of smaller topographic scales and creates groundwater flow fields where a larger portion of the water occupies smaller and shallower circulation cells, in comparison to homogeneous systems. === Gravitationen är den mest betydelsefulla drivkraften för grundvattenströmning. Topografin och geologin fördelar vattnets potentiella energi i landskapet. Grundvattenytans läge definierar vattnets potentiella energi, vilket är ett randvillkor för grundvattnets strömningsfält. I humida områden med en relativt tät berggrund och tillräckligt tunna jordlager, följer grundvattenytan landskapets topografi. Därav följer att grundvattenströmningen är styrd av topografin i dessa områden. I denna avhandling belyser jag den flerskaliga topografistyrda grundvattenströmningen. Min målsättning har varit att kvantitativt bestämma grundvattenströmningens rumsliga fördelning samt att undersöka hur olika geologiska parametrar påverkar grundvattencirkulationen. Jag har använt såväl numeriska modeller som analytiska lösningar, för att undersöka hur topografin styr grundvattenströmningen. De numeriska modellerna är mer komplexa än de analytiska lösningarna och kan därför användas för att undersöka betydelserna av olika förenklingar som finns i de analytiska lösningarna. De analytiska lösningarna är baserade på spektralanalys av topografin, samt superponering av enhetslösningar, där varje enhetslösning beskriver hur en specifik topografisk skala påverkar grundvattnets strömningsfält. Detta är ett effektivt tillvägagångssätt för att undersöka flerskaliga effekter av topografin, eftersom påverkan av varje enskild topografisk skala kan studeras separat. Resultaten som presenteras indikerar att topografin är fraktal och att den ger upphov till cirkulationsceller av varierande storlek som även dessa är av en fraktal natur. Denna grundläggande fördelning i grundvattnets strömningsfält ger upphov till att grundvattnets uppehållstid i marken följer ett självlikformigt mönster och kan förklara uppmätta tidsvariationer av lösta ämnens koncentrationer i vattendrag efter regn. Geologiska trender påverkar hur grundvattenströmningen styrs av topografin. De exakta lösningar som presenteras här, beskriver hur geologiska lager samt djupavtagande och anisotropisk hydraulisk konduktivitet påvekar grundvattnets strömning. Exempelvis är betydelsen av mindre topografiska skalor viktigare i områden med kvartära avlagringar och en berggrund med djupavtagande konduktivitet, än i områden med homogen bergrund utan kvartära avlagringar. Dessutom är en större andel strömmande vatten belägen närmare markytan i de förstnämnda områdena. === QC 20100802